Erstaunliches aus unserer sichtbaren Blase des Universums: Sternenlicht "lesen" III

Vom makroskopischen Objekt zu Atomen, Kernen, Quarks bzw. Gluonen und Strings
(Quelle: http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Th%C3%A9orie_des_cordes-%C3%A9chelle.PNG)

Jede Materie, also alles, was wir kennen, besteht aus kleineren Bestandteilen als wir wahrnehmen können.
So besteht irgendein Material aus einer bestimmten Anordnung von Molekülen und Atomen. Atome bestehen ihrerseits wiederum aus einem Kern und der Hülle. Die aus Elektronen bestehende Hülle nimmt den meisten Platz ein, der Kern ist vergleichsweise winzig. Das Verhältnis von Hülle zu Kern entspricht in etwa dem der Größe eines Fußballfeldes zu einem Stecknadelkopf. Dabei ist quasi die ganze Masse des Atoms im Kern. Der Kern besteht, abhängig vom Element, das er darstellt, aus bishin zu fast 300 Teilchen. Diese Teilchen unterscheiden sich in Protonen und Neutronen. Ein Proton bzw. ein Neutron wird abermals aus noch kleineren Bestandteilen aufgebaut - den Quarks. Es gibt mehrere verschiedene Quarks; die "normale" Materie bauen aber Up- und Down-Quarks auf. Hier sind wir beim kleinsten Baustein des Universums nach dem heutigen überprüfbaren Stand der Wissenschaft angelangt. Es gibt Theorien, in denen noch fundermentalere Bausteine existieren. So sagt z.B. die Superstringtheorie "Strings", eindimensionale, schwingende, offene oder geschlossene "Saiten" vorher, die durch ihr Schwingungsmuster die heute bekannten Teilchen mit all ihren Eigenschaften hervorbringen. (Bislang konnte man Strings experimentell noch nicht nachweisen. Doch vielleicht passiert dies noch in Zukunft.)

Uns Menschen ist es bei weitem nicht möglich, Dinge von der Größe eines Atoms zu sehen. Trotzdem sind wir in der Lage, Atome in der Atmosphäre eines weit entfernten Sterns ausfindig zu machen. Wir können sogar die Anzahl der im Kern enthaltenen Teilchen bestimmen, obwohl der Kern wiegesagt um bis zu einem hunderttausendstel kleiner ist als die Atomhülle. Wow!

Vorhergehende Artikel (zum Verständnis dieses Artikels teilweise notwendig):

III) Chemische Zusammensetzung:

Aber wie soll es möglich sein, Atome innerhalb der Atmosphäre eines Sterns zu identifizieren?
Im Prinzip ist das relativ simpel.

Man muss wissen, dass Licht von Materie absorbiert werden kann. Z.B. wird Licht von den außenliegenden Atomen eines Menschen absorbiert. Das funktioniert folgendermaßen: Licht, welches ja Energie transportiert (denn wo würde sonst der Sonnenbrand herkommen?), trifft auf die Haut und veranlasst die Elektronen in den einzelnen Atomen dazu, auf ein höheres Energieniveau zu springen. Elektronen können sich in einem Atom ja immer nur in bestimmten Bereichen aufhalten. Der Raum zwischen diesen Bereichen ist für einen Elektronenaufenthalt unmöglich. Wie alles andere auf der Welt möchte auch ein Elektron immer in einem "Zustand möglichst geringer Energie" verweilen. Je näher es sich am Atomkern befindet, desto eher ist es in diesem Zustand. Ein Elektron findet man also immer nahe am Atomkern, sofern man es nicht mit Energieaufwand auf ein höheres Energieniveau hebt, was soviel bedeutet, wie es in einen vom Kern weiter entfernten, möglichen Aufenthaltsbereich zu zwingen. (Dieses Prinzip erkläre ich in Artikeln zum Bohr'schen Atommodell, welche hier bald im Rahmen der Artikelserie zur Entwicklung der Quantenphysik erscheinen werden!) Es gibt allerdings noch weitere "Regeln", die für Elektronen gelten. So kann sich z.B. immer nur eine bestimmte Anzahl von Elektronen in einem solchen Aufenthaltsbereich (= Orbital) befinden. (All das hört sich etwas "aus der Luft gegriffen" und willkürlich an. Dem ist nicht so. Interessierte können ausführlich über Atommodelle lesen - beispielsweise hier und ganz speziell hier. Es ist gut, über Atome Bescheid zu wissen - immerhin sind sie Grundlage für alles uns Bekannte.)

Also gut. Licht trifft also auf die "Hautatome" eines Menschen. Die Energie, die der Lichtstrahl mit sich trägt, hebt ein (oder mehrere) Elektronen auf ein höheres Energieniveau. In diesem Zustand "möchte" das Elektron aber nicht bleiben - sein "Zustand geringster Energie" ist beim Kern. Deshalb springt es wieder dorthin zurück, wobei es elektromagnetische Strahlung aussendet. Das kann u. a. für uns sichtbares Licht sein. Dieses Licht wird in eine zufällige Richtung gesandt. Zufälligerweise treffen immer unzählige solcher gestreuten Lichtstrahlen in unser Auge, sodass wir unser Gegenstände und Personen in unserer Umgebung erkennen können.
(Lichtstreuung ist auch dafür verantwortlich, dass der Himmel für uns blau erscheint. Hat sich schon jemals jemand gefragt, warum der ausgerechnet blau ist und nur am Abend oder Morgen rot ist? Hier ist die Antwort.)

Wir haben jetzt eine ungefähre Vorstellung, wie Licht absorbiert wird.
Wichtig dabei ist, dass Licht auch in der Atmosphäre absorbiert wird - allerdings nicht in allen Frequenzbereichen gleich stark!
Die Abbildung zeigt vergleichend die spektrale Verteilung des Sonnenlichts, welches auf der Erde ankommt und einmal außerhalb der Atmosphäre gemessen wurde, einmal am Erdboden:

Verschiedene Strahlungsintensitäten (schematisch)
(Quelle: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Sonne_Strahlungsintensitaet.svg)

Das Bild ähnelt demjenigen, das im vorherigen Artikel zur Temperatur von Sternen vorkommt, ergänzt dieses aber noch mit der Kurve der terrestrischen Sonnenstrahlung.
Man erkennt, dass die Strahlung auf dem Erdboden in bestimmten Frequenzbereichen deutlich weniger oder fast gar nicht angelangt. Das liegt daran, dass die verschiedenen Moleküle in der Erdatmosphäre für sie jeweils ganz typische Wellenlängenbereiche absorbieren. Die Strahlung "verschwindet" dadurch nicht, aber sie wird in eine andere Richtung gestreut, wodurch sie nur mehr selten auf die Erde trifft. Man kann also sagen, dass die Atmosphäre bestimmte Frequenzen des Lichts von uns Erdbewohnern "wegstreut".

Alles, was wir also tun müssen, ist, das von einem Stern emittierte Licht in seine Spektralfarben zu zerlegen. Bei genauer Betrachtung fallen einem diese kleinen, lokalen Intensitätsminima als schwarze Linien auf. Diese Absorptionslinien nennt man nach ihrem Entdecker "Fraunhofer'sche Linien".
Im Labor kann man herausfinden, welche Elemente welche Frequenzen absorbieren. Jedes Element hat sein typisches Muster von Fraunhoferlinien, welche durch die unterschiedlichen, für die jeweiligen Atome ganz charakteristischen Verteilungen der Orbitale zustandekommen. So sehen Absorptions- und Emissionsspektrum von Wasserstoff aus:

Absorptions- und Emissionsspektrum von Wasserstoff
(Quelle: http://www.astronomyknowhow.com/hydrogen-alpha.htm)

Durch Analyse all der schwarzen Linien kann man also auf die chemische Zusammensetzung der Atmosphäre (eig. Photosphäre) eines Sterns schließen.
Raffiniert, oder?

Rotverschiebung von Spektrallinien im
optischen Spektrum des weit entfernten
Superhaufens BAS11 (rechts) im Vergleich
mit dem Sonnenspektrum (links).
(Quelle: http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Redshift.png)

Doch die Fraunhoferlinien verraten uns noch einen weiteren, wirklich spannenden Aspekt des gesamten Universums:
Vor etwas mehr als 80 Jahren analysierte man die Spektren verschiedener Galaxien und Sterne. Man erkannte eindeutig die Fraunhofer'schen Linien, stellte aber fest, dass in den meisten Spektren die Linien zum roten Bereich hin verschoben waren. Die Abstände zwischen den Linien blieben wohlgemerkt gleich, nur ihre Position war verschoben.

Wodurch kann das passieren?
Die Erklärung ist die sog. "Rotverschiebung" durch den Doppler-Effekt.
Dieser Effekt existiert sowohl in der Akustik als auch in der Optik. Zur Erklärung verwende ich eine Analogie aus der Akustik: Nähert sich ein schnelles Auto, so werden seine Motorgeräusche immer höher. Erst wenn es bei uns vorbeirast, nimmt die Tonhöhe rasant ab. Jeder kennt das. Der Autofahrer im folgenden Video, welches zur Veranschaulichung dienen soll, hupt sogar netterweise - eben zur Veranschaulichung des Doppler-Effekts:

Der optische Doppler-Effekt funktioniert ähnlich.

Rot- bzw. Blauverschiebung durch optischen Dopplereffekt
(Quelle: http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Redshift_blueshift.svg)

Nähert sich eine Lichtquelle, werden die Lichtwellen "zusammengstaucht" (beim vorbeifahrenden Auto werden die Schallwellen "zusammengestaucht" - höhere Frequenz bedeutet in der Akustik einen höheren Ton), sodass sie uns als Beobachter in kürzeren Abständen erreichen. Kürzere Abstände bedeuten eine höhere Frequenz bzw. eine kleinere Wellenlänge. Je bläulicher Licht ist, desto höherfrequenter und energiereicher ist es. Entfernt sich eine Lichtquelle, werden die Wellen "gedehnt" und haben dadurch eine niedrigere Frequenz - sie sind also rötlicher.
Genau dieses Phänomen tritt bei den meisten beobachteten Himmelskörpern auf: Ihr Spektrum ist in den roten Bereich des Lichts verschoben (repräsentiert durch die Verschiebung der Fraunhoferlinien). Wir können daraus schlussfolgern, dass sich der Großteil aller Galaxien etc. von uns entfernt.
Sind wir also der Mittelpunkt des Universums? (Diese Vorstellung war bis vor nicht allzu langer Zeit in fast allen Kulturen verbreitet, was irgendwo verständlich ist, da die natürlichste, "hausverstandsgemäße" Weltsicht die Erde im Mittelpunkt des Universums hat, um welchen sich alle anderen Himmelskörper bewegen. Erst durch die (übrigens bis heute andauernde) "kopernikanische Revolution" konnten wir uns von diesem falschen Weltbild allmählich befreien.)
Diese Vorstellung trifft allerdings nicht zu. Vielmehr ist es so, dass sich der gesamte Raum - also das ganze Universum - ständig ausdehnt. Und je weiter entfernt etwas von uns ist, desto schneller entfernt es sich noch weiter. Das Universum expandiert. Dabei separieren sich nicht einfach alle Galaxien, sondern der Raum an sich dehnt sich aus. Das führt uns zu kosmologischen Überlegungen und zu Modellen, wie z.B. dem Urknallmodell oder den Modellen der inflationären Expansion. Das alles gehört (leider!) nicht mehr zum Thema dieses Artikels, deshalb schließe ich hiermit.

Andere Artikel dieser Serie: